虚拟仿真技术在生物细胞特征分析研究中的应用

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1、虚拟仿真技术在生物细胞特征分析研究中的应用ApplicationsofVirtualSimulationTechnologyinTheCharacteristicAnalysisStudyofBiologicalCells姓2014年06月独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方

2、式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：滕加憎年朗／D日学位论文版权使用授权书江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊(光盘版)电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入《中国学位论文全文数据库》并向社会提供查询，授权中国学术期刊(光盘版)电子杂志社将本论文编入《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》并向社会提供查询。论文的公布(包括

3、刊登)授权江苏大学研究生处办理。本学位论文属于不保密学位论文作者签名：关越沙彤年。驴fD日指导江苏大学硕士学位论文摘要细胞是有机体构成和生命活动的基本单位，其形态结构复杂多变，功能也各不相同。在医学上，发病机制的研究、疾病的诊断、治疗效果的评估等都依赖于对细胞形态结构特征的识别。随着激光、光纤、半导体、生物、化学等科学技术的迅猛发展，综合各学科的荧光显微技术、光散射技术、光学相干层析技术、共聚焦显微技术等多种技术被用于生物细胞的研究中。数字相位显微技术因其快速、非侵入、无损伤、可定量等优势，最受科研者们的青睐，特别是在细胞大小分布和形

4、体结构特征的研究方面，其中细胞相位提取、特征分析与重构是极其重要的研究内容。随着计算机技术和数值计算方法的发展，虚拟仿真技术在各领域科学研究中发挥着越来越重要的作用。本文基于VirtualLab光学仿真系统的基本功能，结合生物细胞形态结构的光学特征，探究了可编程界面用于生物细胞模型建立的方法，展开了生物细胞特征分析的系列研究。基于该系统展开了红细胞仿真实验和双波长相位解包裹方法的研究。通过红细胞包裹和解包裹相位，以及双波长相位解包裹过程的模拟，证明了VirtualLab仿真结果与真实实验结果和理论结果的一致性。同时还探讨了在不同波长的

5、电磁波照射下，同一生物细胞的相位分布动态变化特征。针对自细胞核式结构，基于VirtualLab系统建立了系列核式细胞模型。通过相位成像仿真实验，得到对应于不同模型的包裹相位分布。同时通过改变细胞模型外胞、核大小及个数，对其包裹相位图的变化进行了分析。通过对核式细胞解包相位的研究发现，细胞的解包相位和建立的细胞模型之间并不存在完全一一对应的关系。因此仅仅从一个方向获取的单幅细胞相位分布并不足以反演非均质细胞形态结构特征。提出了一种核式细胞胞核特征提取方法。该方法是在通过相位显微和其他技术获得细胞的包裹相位分布和轴向物理厚度的前提下，经过

6、数值计算可以得到细胞内部结构的相关信息，如：相对相位、相对光学厚度等。这一方法主要适用于相对独立的含有少数较大细胞器的生物细胞。为了证明该方法的可行性和正确性，我们分别对双核细胞模型和HeLa细胞进行了内部结构信息提取，得到了较好的结果。此外，考虑到气泡与生物细胞在形态、尺度以及研究理论、研究模型上有着一虚拟仿真技术在生物细胞特征分析研究中的应用定的相似性，均为光学透明介质，且流体中的气泡行为在工业过程中有着重要的作用，作者还对水中气泡光散射动态特征进行了仿真研究，得到了一些重要结论。本文的工作拓展了VirtualLab仿真系统的功能

7、，在生物细胞特征分析研究中得到了很好的应用，所获得的结果可为生物细胞形态结构重建提供一定的借鉴和应用基础。关键词：生物细胞；虚拟仿真；显微成像；特征分析；建模II江苏大学硕士学位论文ABSTRACTAsthebasicunitoftheorganismsandlifeactivities，cellshavecomplexmorphologyduetotheirdifferentbiologicalfunctions．Researches，suchaspathogenesis，diseasediagnosisandtheassessme

8、ntoftreatmenteffects，relyontheidentificationofcells’morphologicalcharacteristics．Witlltherapiddevelopmentoflas